MAX1464的片上溫度傳感器

max1464是一款高性能數(shù)字信號(hào)調(diào)理器，包括一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器，該傳感器可用來(lái)校正與溫度相關(guān)的信號(hào)，或作為一個(gè)性能可與業(yè)界領(lǐng)先的溫度傳感器相媲美的獨(dú)立溫度計(jì)。本應(yīng)用筆記介紹了max1464的片上溫度傳感器，并給出了欲獲得接近測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)性的溫度讀數(shù)時(shí)建議采用的方法。

引言

max1464是一款高性能數(shù)字信號(hào)調(diào)理器，帶片上溫度傳感器，在-40°c至+125°c的工作溫度范圍內(nèi)輸出分辨率近似為+2mv/°c。內(nèi)置的16位adc以類(lèi)似于轉(zhuǎn)換傳感器輸入的方式，對(duì)內(nèi)部溫度傳感器輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)溫度傳感器輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，adc (adc_t對(duì)應(yīng)溫度傳感器輸出)自動(dòng)采用四倍的內(nèi)部帶隙電壓4 x 1.25v = 5v)作為adc_t基準(zhǔn)電壓。溫度數(shù)據(jù)格式是15位數(shù)據(jù)加符號(hào)位的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式。為提高溫度分辨率，可對(duì)max1464的coarse offset (co) dac進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)溫度傳感器輸出的失調(diào)調(diào)零，并且可設(shè)置pga增益來(lái)放大溫度傳感器輸出。內(nèi)部cpu可用來(lái)提供額外的數(shù)字式增益和失調(diào)校正。

與先前推出的產(chǎn)品max1463相比，max1464大大改進(jìn)了片上溫度傳感器的比例誤差(或電源抑制比，psrr)。本應(yīng)用筆記對(duì)max1464的psrr進(jìn)行量化，并且給出一個(gè)可將該誤差進(jìn)一步減小75%的簡(jiǎn)單公式。

計(jì)算溫度傳感器輸出

表1給出了max1464分別在4.5v、5.0v和5.5v vdd電源下的歸一化溫度傳感器輸出(采用50個(gè)樣本的測(cè)試結(jié)果)，器件內(nèi)部設(shè)置為：cot[3:0] = 1101，pgat[4:0] = 00001 (pga增益 = 7.7)。(更高的pga增益將導(dǎo)致adc飽和，從而使輸出結(jié)果無(wú)效。) 如表1所示，在-40°c至+125°c溫度范圍內(nèi)，vdd = 5v時(shí)adc_t輸出范圍的歸一化adc結(jié)果為0.4830 (約16,000個(gè)adc計(jì)數(shù))。因此，我們分析時(shí)用0.4830作為溫度傳感器的滿(mǎn)量程輸出，用滿(mǎn)量程百分比(% fs)來(lái)表示溫度傳感器的誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用max1464的內(nèi)部cpu為溫度傳感器輸出提供額外的數(shù)字式增益和失調(diào)校準(zhǔn)，從而獲得經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的溫度輸出。應(yīng)用筆記：max1464 signal-conditioner, sensor compensation algorithm，演示了cpu的這種用途。

1- 用adc來(lái)轉(zhuǎn)換vdd時(shí)，max1464自動(dòng)提供0.7的增益。
2- 讀vdd時(shí)，只有當(dāng)pga[4:0] = 00000時(shí)結(jié)果才有效。更高的增益設(shè)置將導(dǎo)致adc飽和。

psrr的計(jì)算及優(yōu)化

max1464的片上溫度傳感器最初僅用于傳感器補(bǔ)償。出于這個(gè)目的，絕對(duì)精度對(duì)最終產(chǎn)品而言就顯得無(wú)關(guān)緊要。然而，溫度傳感器的重復(fù)性和比例誤差對(duì)最終產(chǎn)品的性能影響重大。max1464的片上溫度傳感器具有極佳的重復(fù)性。-40°c至+125°c范圍內(nèi)100個(gè)離散溫度點(diǎn)讀數(shù)的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為2.5個(gè)adc計(jì)數(shù)或0.016% fs。由此看來(lái)，max1464的重復(fù)性比市場(chǎng)上大多數(shù)性能出色的溫度傳感器還好。

max1464還具有極低的比例誤差。根據(jù)表1中給出的數(shù)據(jù)，圖1表示最大比例誤差為0.64% fs，并且出現(xiàn)在vdd = 4.5v和t = +125°c時(shí)。對(duì)于總體誤差率為1%的器件，該比例誤差造成的影響僅占0.0064% (0.64% x 1% = 0.0064%)。

盡管比例誤差很小，仍然能進(jìn)行校正以改善性能。

圖1的誤差曲線(xiàn)表明，vdd為4.5v和5.5v時(shí)，+70°c對(duì)應(yīng)比例誤差曲線(xiàn)的中點(diǎn)。在中點(diǎn)(+70°c)附近簡(jiǎn)單地移動(dòng)一下誤差曲線(xiàn)，就可顯著地減小誤差。

式1是+70°c時(shí)的比例誤差函數(shù)。

(式1) adc_t_error(vdd, 70c) = 0.088111 x vdd^2 - 0.14959 x vdd + 0.061092

從每個(gè)adc_t讀數(shù)中減去該誤差函數(shù)可以消除+70°c時(shí)的誤差，并使誤差曲線(xiàn)以0%線(xiàn)為中心。圖2繪出了表1中的讀數(shù)減去式1后的結(jié)果。這一簡(jiǎn)單的校正方法將本身已經(jīng)較小的內(nèi)部溫度傳感器的比例誤差減少了75%，即從0.64%減為0.15%。

在那些需要更好的比例性能的應(yīng)用中，必須在多個(gè)溫度點(diǎn)標(biāo)定溫度傳感器的特性，并且式1必須被進(jìn)一步擴(kuò)展為溫度的函數(shù)。此時(shí)應(yīng)注意，一般來(lái)說(shuō)比例誤差與設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程有關(guān)；同一類(lèi)型的所有器件其比例誤差曲線(xiàn)通常具有相似的形狀和大小。因此，用戶(hù)可以定義一個(gè)函數(shù)來(lái)描述具有代表性的一組樣本的比例誤差，并將該函數(shù)推廣運(yùn)用到整個(gè)產(chǎn)品系列。無(wú)論需要單點(diǎn)溫度校正還是多點(diǎn)溫度校正，僅需要在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段計(jì)算一次。然后將得到的公式整合到補(bǔ)償算法中。

式1是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)得出的，因此它可以作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，并可根據(jù)需要修改/擴(kuò)展。實(shí)施多點(diǎn)補(bǔ)償時(shí)，可減小比例誤差以接近測(cè)試系統(tǒng)/max1464/傳感器的重復(fù)性。

max1464作為溫度計(jì)

片上溫度傳感器為傳感器補(bǔ)償而設(shè)計(jì)。但是，如果對(duì)max1464的溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，它可用作溫度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)器件的準(zhǔn)確溫度。雖然相似器件的比例誤差僅校準(zhǔn)一次，但是每個(gè)器件必須單獨(dú)校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)更高的精度。這是因?yàn)椴煌骷腶dc_t輸入信號(hào)分量(溫度傳感器失調(diào)、溫度傳感器靈敏度以及co dac輸出)差異極大。

溫度傳感器的精度受到用戶(hù)所進(jìn)行的校準(zhǔn)級(jí)別的影響。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度校準(zhǔn)，并在adc_t讀數(shù)中整合特性函數(shù)，用戶(hù)可以獲得高于市場(chǎng)上大多數(shù)性能出色的溫度傳感器的精度。通常，只在兩個(gè)溫度點(diǎn)校準(zhǔn)溫度傳感器可獲得±2°c的精度(圖3)。當(dāng)對(duì)各adc_t讀數(shù)執(zhí)行溫度傳感器校正時(shí)，該過(guò)程僅使總的補(bǔ)償過(guò)程增加幾毫秒，使max1464的信號(hào)環(huán)路處理增加幾微秒。

由于max1464的架構(gòu)整合了溫度傳感器輸出和粗調(diào)-失調(diào)dac輸出以生成adc_t輸入，不校準(zhǔn)各個(gè)溫度傳感器不可能獲得溫度精度。不用說(shuō)，溫度傳感器用于正常的傳感器信號(hào)補(bǔ)償時(shí)不需要校準(zhǔn)。